ПЗУ на основе ДНК

Национальный научный фонд (National Science Foundation, NSF) и Semiconductor Research Corp. (SRC) инвестируют $12 млн в разработку нового класса памяти и других технологий – в частности, постоянного запоминающего устройства на основе ДНК, памяти на нуклеиновой кислоте (nucleic acid memory, NAM) и нейросетей, основанных на клетках дрожжей.

Инициативу назвали полупроводниковой синтетической биологией для технологий обработки и хранения информации (Semiconductor Synthetic Biology for Information Processing and Storage Technologies, SemiSynBio). SemiSynBio – совместный проект NSF и SRC.

Существующая память надёжна и дёшева, но у неё есть определённые ограничения. Индустрия работает над волной типов памяти следующего поколения – магниторезистивная оперативная память (MRAM), память с изменением фазового состояния и резистивная память с произвольным доступом (ReRAM). Это энергонезависимая память с неограниченной стойкостью.

Исследователи также работают над ассортиментом биологических типов памяти. Биологические структуры, совмещённые с полупроводниковой технологией, способны хранить в 1000 раз больше данных по сравнению с текущими технологиями, и удерживать эти данные в течение ста лет и более, потребляя при этом меньше энергии.

К примеру, индустрия работает над технологиями архивного хранения при помощи дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). ДНК – многообещающая платформа для хранения информации в электронных устройствах нового поколения. ДНК не деградирует со временем и очень компактна. Её возможно использовать для хранения огромного количества данных в очень малом объёме очень долгое время.


Исследователи используют ДНК, основную молекулу, кодирующую генетическую информацию в биологии, в качестве программируемого строительного блока – молекулярного блока LEGO – чтобы создавать сложные материалы со специальными свойствами

Всё больше компаний работают над хранением информации в ДНК. К примеру, в прошлом году Twist Bioscience, Microsoft и Вашингтонский университет сумели сохранить аудиозаписи двух музыкальных выступлений на джазовом фестивале в Монтрё в ДНК-памяти.

В компьютерах отдельные единицы информации хранятся в виде нулей и единиц, двоичного кода. Молекулы ДНК кодируют информацию через последовательности отдельных единиц. В молекулах ДНК эти единицы представляют собой четыре различных нуклеиновых основания: аденин (А), цитозин (С), гуанин (G) и тимин (T).

Чтобы закодировать музыку в копии ДНК, предназначенные для архивного хранения, Twist Bioscience, Microsoft и Вашингтонский университет разработали процесс, состоящий из четырёх этапов: ДНК-кодирование, синтез с сохранением, извлечение и декодирование.

Но на пути реализации ДНК-хранилища находится несколько технических и фундаментальных препятствий.

Программа SemiSynBio была придумана индустрией для того, чтобы преодолеть эти проблемы. В одном из проектов данной инициативы Калифорнийский университет в Дейвисе, Вашингтонский университет и Университет Эмори разрабатывают ПЗУ на основе ДНК. Цель – создать устройство, которое можно будет программировать по желанию, считывать электронным способом, и совмещать с обычными полупроводниками, обеспечивая долговременное хранение и извлечение данных. С этой целью исследователи разработали несколько технологий:

• ДНК-нанопровода. Их будут выращивать с использованием самосборочного процесса «снизу вверх», с молекулярными и ионными присадками, и шаблонным ростом неорганических структур.
• Правила разработки многоуровневых клеток памяти на основе ДНК.
• Разработка ПЗУ с перекрёстным подключением на основе ДНК.

Кроме ДНК ПЗУ, SemiSynBio финансирует и другие проекты – системы хранения данных на чипе нанометровых масштабов с использованием химерных ДНК, хранение данных в ДНК при помощи чтения на основе нанопор, память на нуклеиновой кислоте, биоэлектроника на основе окислительно-восстановительных реакций и YeastOns. YeastOns – это нейросети, работающие на базе коммуникаций между клетками дрожжей.

В рамках программы Университет штата Айдахо в Бойсе разрабатывает память на нуклеиновой кислоте (NAM). У них уже есть два прототипа носителей – цифровая NAM (dNAM) и последовательная NAM (seqNAM).

«В dNAM информация кодируется через определённую пространственную ориентацию последовательностей ДНК поверх адресуемых оригами-наноструктур ДНК, которые называются узлами хранения NAM. ДНК-оригами обеспечивает удобный путь и опробованный подход к быстрому и эффективному прототипированию узловых структур NAM», считают в NSF. «В seqNAM информация кодируется порциями отрезков данных, содержащихся в отдельных молекулярных цепочках».

Доун Тилбери, помощник директора NSF по инженерным разработкам, сказал: «Имеющиеся у нас сегодня возможности серьёзно продвинулись по сравнению с тем, что было несколько десятилетий назад, но у таких материалов, как кремний, существуют физические ограничения, сдерживающие вычисления на очень малых масштабах. Материалы и схемы работы на основе биологии намекают на очень интересные возможности, способные преодолеть эти препятствия, причём с более низкими энергетическими затратами».

Эрвин Джианчандани, временный заместительдиректора NSF по информатике и информационным и инженерным наукам, добавил: «Это исследование проторит дорогу устройствам с гораздо большими возможностями по хранению данных и куда как меньшими запросами по энергии. Представьте, к примеру, что мы сможем записать всё содержимое Библиотеки конгресса на устройстве размером с ваш ноготь».

Подложки OxRAM

Лаборатория электроники и информационных технологий (LETI) компании CEA Tech и сервисный центр CMP, занимающийся прототипированием и производством мелких партий интегральных схем и микроэлектромеханических схем, представили первый промышленный процесс производства многоцелевых подложек (multi-project-wafer, MPW) для изготовления устройств OxRAM на 200мм платформе.

OxRAM – новая энергонезависимая память, подвид резистивной памяти (ReRAM). В целом существует два основных типа ReRAM — ReRAM с дефицитом кислорода и CBRAM. ReRAM с дефицитом кислорода известна, как ReRAM на основе оксидов, или OxRAM. OxRAM можно использовать как встроенную память на микроконтроллерах или продуктах из области обеспечения безопасности, а также для ускорения работы ИИ и нейроморфных вычислений.


Структура OxRAM

Производство многоцелевых подложек идёт на 200мм CMOS-линии LETI. Сервис даёт возможность разработки OxRAM. В него включается набор масок под названием «продвинутый демонстратор памяти» (Memory Advanced Demonstrator, MAD), использующий технологию OxRAM. Новая технологическая платформа будет основываться на активных слоях оксидов гафния с добавлением титана. Эта технология идёт в комплекте с примерами практического проектирования, включая макеты, контроль качества и симуляции. Предоставляются библиотеки с большим количеством активных и пассивных электрооптических компонентов.

Этьен Новак, глава лаборатории продвинутой памяти LETI, сказал: «Эта возможность, совместно с нашей платформой продвинутого демонстратора памяти, основана на большом наборе инструментов, позволяющем проводить различные исследования совместно с нашими партнёрами, и обеспечивает возможность сверки эффективности различных решений в области энергонезависимой памяти».

Жан-Кристоф Кребье, директор CMP, добавил: «Это возможность для множества университетов, стартапов и малых предприятий во Франции, в Европе, Северной Америке и Азии воспользоваться преимуществами новой технологии и сервиса».

Биологическая микроскопия

ИМЕК получил грант в €1,5 млн на разработку ультракомпактной микроскопии на основе фотоники на чипе и датчиков изображений на КМОП. ИМЕК разработает технологию под названием интегральная микроскопия на чипе с структурированным освещением высокого разрешения (IROCSIM). Эту технологию можно использовать в [изучении] ДНК, биологии и медицине.

Нильс Вереллен, главный исследователь фотоники и руководитель проекта в ИМЕК, сказал: «Компактная и высокоэффективная микроскопия высокого разрешения вызовет серьёзные изменения в области проведения биологических исследований, в облегчении доступа к технологии секвенирования ДНК, в диагностике определённых болезней, в изучении новых лекарств в фармакологии, и постановке диагнозов у пациентов, находящихся в отдалённых местах».